1. Триггер Шмидта

Добавление положительной обратной связи в отсутствие отрицательной превращает ОУ в триггер Шмидта, или триггер с петлей гистерезиса (рис. 3).

Рис. 3 Триггер Шмидта на ОУ

Схема будет переключаться между положительным и отрицательным напряжением U_out+ и U_out– каждый раз, когда входное напряжение будет переходить через уровень, задаваемый делителем из сопротивлений. При повышении напряжения при уровне срабатывания U_ср = U_out–R₁/(R₁ + R₂), при понижении – при уровне отпускания U_отп = U_out+R₁/(R₁ + R₂). Возникает гистерезис U_гис = U_ср – U_отп. Пороги срабатывания исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

2. Инвертирующий усилитель

Для большинства случаев усиления напряжения или регистрации фототока подходит инвертирующая схема включения ОУ (рис. 4). Усиленный сигнал находится в противофазе с входным и равен U_out = –U_in×R₁/R₂.

Рис. 4 Инвертирующее включение. Штриховая линия показывает путь входного тока

Через схему протекает фактически входной ток, т.к. потребление входов почти нулевое. Входной ток и создает падение напряжения на R₂.

3. Неинвертирующий усилитель

При отрицательной обратной связи и подаче сигнала на неинвертирующий вход, как показано на рис. 5, фаза сигнала на входе и на выходе совпадает, а выходное напряжение равно U_out = U₁×(1+R₂/R₁). Основное отличие от инвертирующей схемы заключается в повышенном входном сопротивлении, которое определяется параметрами входов ОУ и может составлять десятки мегаом и более.

Рис. 5 Неинвертирующий усилитель

4. Повторитель (неинвертирующий)

Отрицательная обратная связь без сопротивлений, как на рис. 6, образует повторитель, выходной сигнал которого находится в фазе входному U_out = U_in. Схема применяется в качестве буферного усилителя, обеспечивающего повышенный выходной ток.

Рис. 6 Инвертирующий повторитель

5. Дифференциальный усилитель

Обобщенный дифференциальный усилитель (ДУ), схема которого приведена на рис. 7, используется для вычисления разницы двух напряжений, каждое из которых умножено на определенную константу (задаваемую резисторами).

Рис. 7 Общая схема дифференциального усилителя

Выходное напряжение такого ДУ равно

Если входные сопротивления равны ( ), а также , то выходное напряжение будет определяться выражением .

Основные параметры усилителей

С точки зрения проведения эксперимента актуальны следующие параметры усилителя сигнала, необязательно основанного на ОУ:

Входное сопротивление – величина, равная отношению входного напряжения к входному току. Может быть представлено в виде эквивалентной нагрузки, но в реальности рассредоточено по элементам схемы. Чем больше входное сопротивление, тем меньше усилитель влияет на источник сигнала (поскольку потребляет из измеряемой цепи меньший ток). У приборов с входом по напряжению входное сопротивление относительно высокое, у токовых входов входное сопротивление относительно низкое. Для дифференциальных входов различают дифференциальное и синфазное входное сопротивление.

Входной ток – ток, протекающий через входы схемы.

Коэффициент усиления – обычно это отношение величины выходного напряжения к входному K=U_out/U_in,. Также может быть отношением по току, мощности, входному току к выходному напряжения и наоборот (тогда указывается, какое именно коэффициент).

Выходное сопротивление – отношение выходного напряжения к выходному току в нагрузке. Чем меньше выходное сопротивление – тем больший ток схема может отдавать. В соответствии с формулой I=U/(R+r), где I – входной ток следующего каскада, r – выходное сопротивление усилителя, R – сопротивление нагрузки. Видно, что чем меньше r – тем меньше ток от него зависит.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала.

Скорость нарастания выходного сигнала – скорость изменения выходного напряжения при подключенной нагрузке. Напрямую связано с АЧХ, т.к. соответствует наибольшему наклону переменного сигнала (касательная в точке пересечения нуля синусоидой). Указывается для определенного диапазона изменения сигнала, например 10%–90%, или как время, необходимое для достижения уровня 63% (т.е. ) от нуля.

Полоса пропускания – диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. В зависимости от требований к искажениям может иметь разные границы, и задаваться исходя из падения коэффициента усиления на определенную величину. Например, на 3 дБ (или 10%). Также быстродействие можно охарактеризовать через частотную полосу пропускания, поскольку большинство усилителей можно описать моделью конденсатора, который заряжается через сопротивление R₁ и разряжается через параллельно подключенное сопротивление R₂. На частоте модуляции f = (2π)^–1, где постоянная времени =CR₁R₂/(R₁+R₂), сигнал уменьшится до половины от исходного значения на нулевой частоте, это и будет границей полосы пропускания [6].

Вопросы для самопроверки:

• Что произойдет с выходным сигналом при подаче части положительного выходного напряжения на инвертирующий вход?

• Чем задается коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя?

• Перечислите свойства идеального операционного усилителя.

• Из-за чего отрицательная обратная связь может стать положительной?

• Во сколько раз уменьшится сигнал через интервал, равный постоянной времени ?